书城科普有趣的力学
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第13章 奇妙的力现象(1)

在这个世界上,有许多奇妙的事情和奇妙的现象发生了,我们却不知道其中的原因。本章列举我们常见的奇妙现象进行解读,揭示其奇妙之处。而这些奇妙之处都与力有关,甚至就是力在其中发挥作用的体现。

楼房整体挪移

很久以前,对于蒙古游牧民族来说,建造固定式的房屋是件不可思议的事,因为蒙古包方便、轻巧,易于搬迁,由这种“房屋”组成的“城市”从一地迁移到另一地是轻而易举的事。但由于砖砌石垒的建筑物没有这种特性,所以,在20世纪30年代砖石楼房的整体搬迁就成了轰动一时的新闻。

“这怎么可能呢?”当人们纷纷传说许多幢大楼要整体“搬迁”时,自然而然地便会产生这样的疑问。在莫斯科有幢五层大楼,坐落在高尔基大街上。1973年由于城市改建的需要,这幢大楼必须搬迁,以便腾出空地安排新的建筑物。这座楼房历史悠久,曾是著名的《俄罗斯言论报》编辑部所在地和印刷厂的用房。

在大楼的“红色大厅”里,契诃夫等许多著名的记者和著名作家经常聚会,而且大楼本身还是珍贵的古代建筑物,所以决定把它整体迁移。工程进行得有条不紊,楼房从旧址迁到新址移动了33米,搬迁时间总共花了三昼夜。

应该说人类想到搬迁房屋由来已久。历史记载,古埃及金字塔的建筑师们已经掌握了运输超重建筑构件,其中包括大型石制横梁的技能。1770年为了在彼得堡兴建一座彼得纪念碑,重1250吨的巨型石块被架在铜质滚球上滑行了65千米。这是利用滚动摩擦代替了滑动摩擦,大大节省了移动力。

最早的石头建筑物整体建筑移迁是在1455年,完成这项工程的是一位意大利建筑师阿里斯托泰莱·菲奥万蒂;莫斯科克里姆林宫内的圣母升天大教堂也是他设计建成的。在菲奥万蒂的主持下,意大利博洛尼亚市圣马克教堂的石砌钟楼安然无恙地移动了10米多。

一个世纪后,多梅尼科·韦塔纳把建于罗马的古罗马卡里古拉大帝的方尖碑(高27米,重达325吨)迁移了225米。他先在碑体四周架起木橇架,再用绞车把碑体放平,并利用大量的畜力把方尖碑迁动移位。

比萨斜塔为何斜而不倒?

比萨斜塔坐落在意大利古城比萨大教堂的广场上,1173年由建筑师博纳诺·皮萨诺开始建造。当建到第三层时,塔身开始倾斜,博纳诺·皮萨诺只得把工程停了下来。1194年后,建筑师焦旺尼·迪·西蒙内恢复建塔,他试图将倾斜的塔身调直,可是没有成功。

由于迪·西蒙内死于1284年的战争中,建塔工程再度搁置。直到1350年,该塔才由建筑师托马索·皮萨诺最后完成。竣工时,因塔顶中心点已偏离垂直中心线2.1米,所以被人们称为“斜塔”。600多年来,塔身继续缓慢地向南倾斜。据自1911年以来的系统测量表明,它平均每年向南倾斜大约1毫米。

塔身为什么倾斜,根据地下钻探的土样,查明塔基下面地表至10米深度是混砂层,由于10~40米之间含有很多结合水的黏土层,再往下是含自由水的砂层。这层粘土层在建筑物的压力作用下,部分结合水就会被挤出来,跑到下面的砂层中去,造成黏土层的压缩和沉降,使塔倾斜。

当下面砂层自由水被人为地抽汲而造成压力下降时,这种黏土层的压缩和沉降还会大大地加速,引起斜塔的倾斜速度加快。据测定,在从砂层中抽汲地下水的时期,斜塔的倾斜速度曾增至每年2毫米,比以前加快了约一倍。

后来,人们发现了这个问题,停止抽汲砂层中的地下水,斜塔的倾斜速度才恢复原来的数值。这座塔为什么向南倾斜,比萨大学一位老教授的解释说,可能是太阳的影响。因为意大利是在北半球,南面的大理石受日照强,热胀冷缩产生的力对下面的土层起着不间断的冲击作用,所以向南倾斜。另外,斜塔是在比萨城北部,原来城内居民取地下水的位置在它南面,南部地面沉降也可能造成塔身加速南倾。

现在,塔顶中心点偏离垂直中心线已近5米。不过,按照目前的倾斜速度,比萨斜塔在未来的200年内还不会倒塌,这是因为从它的重心引下的竖直线并没有越出它的底面的缘故。

比萨斜塔上创造出的奇迹

在1590年,年仅26岁的伽利略要在比萨斜塔上进行落体实验,他特意邀请了一些大学教授来观看,许多人也闻讯而至。

伽利略身带两个铁球,一个重45.4千克(100磅),一个重0.454千克(1磅),像个出征的战士般威武地登上塔顶。当他向人们宣布,这一大一小的两个铁球同时下落,将会同时着地的时候,塔下面的人都满腹狐疑地议论:“难道亚里士多德真错了,绝对不可能!”“这家伙准是疯了!……”

伽利略听到这些议论后坦然自若,他胸有成竹地大声说:“先生们,别忙着下结论,还是让事实出来说话吧!”说完,他伸开双手,使两个铁球同时从塔上落下来,只见它们平行下落,越落越快,最后“啪”的一声同时落地。面对无可辩驳的实验事实,那些亚里士多德的忠实信徒一个个瞠目结舌,不知所措,全都灰溜溜地走开了。比萨斜塔实验不仅推翻了古代权威的错误学说,结束了它对学术界近2000年的统治,而且也开创了近代科学实验的新纪元。

懂一点物理学的人都知道,轻重、大小不同的物体,从同一高度同时自由落下,要是没有空气阻力,它们必定同时着地。但是,在16世纪以前,人们都相信古希腊的权威亚里士多德的学说,他认为:物体下落的快慢是由物体的重量决定的,物体越重下落越快,比如10千克重的物体下落,要比1千克重的物体快9倍。那时,教科书上是这样写的,大学教授也是这样讲的。

不过还是有人怀疑,伽利略就是其中最著名的一位。他经过认真思考和反复实验,确认“物体越重,下落越快”的学说是错误的。要知道,当时在欧洲人的眼里,除了上帝之外,只有亚里士多德是绝对正确的,谁反对他就是大逆不道。勇敢的伽利略坚持真理,义无反顾,决定当众实验,公开向古代权威挑战。

要是伽利略在斜塔上同时放下一个纸球和一个铁球,那么一定是铁球先落地。的确是这样,当纸球还在空中飘荡的时候,铁球已着地了,这是不是说明亚里士多德的学说是正确的呢?

亚里士多德很可能正是从这类现象中得出结论的,但是他被假象迷惑了。事实上,物体在空气中下落,都要受到空气阻力。纸球轻,空气阻力的影响大,不可忽略;铁球重,空气阻力的影响小,可以忽略。如果在真空中进行纸球和铁球同时下落的实验,排除了空气阻力的影响,它们是会同时落地的。

海洋为何潮涌?

海洋涨潮是一道壮观的风景,每逢大潮涨起时,汹涌澎湃的景象总能吸引众人欣赏的目光,在迷恋这一风景的同时,人们不禁会问,是谁制造了“潮汐”这一大自然的壮观场面,是万有引力。

宇宙间的万物都存在着相互吸引力,地球和月亮之间也不能例外,地球对月亮的吸引,使月亮不能离开地球而只能绕着地球旋转。月亮也以同样大小的力吸引着地球,当然也吸引着地球上海洋的水。

由于地球在不停地绕太阳公转又绕本身的地轴自转,因此海洋中的水与地面上所有物体一样受到一种称为惯性离心力的作用。对着月亮一面的海水,离月亮比较近,月亮对海水的吸引力大于它受到的惯性离心力,海水被月亮吸引而鼓向月亮一边;在背离月亮一边的海水,离月亮比较远,月亮对海水的吸引力小于它受到的惯性离心力,海水便向背离月亮的方向鼓出。

这样,地球上无论是向着月亮一面还是背着月亮的一面,海水都上涨,这就形成涨潮。海洋中的水聚向涨潮的地区,与这些地区相垂直方向上的水面,便要下落,这便形成落潮。地球上各处海面高度的不断改变形成了潮汐。由于地球上同一地点每天总有一次向着月亮,一次背离月亮,因此每天有两次涨潮。

太阳对地球也有引力作用,太阳也应该使地球上形成潮汐现象。太阳离地球比月亮离地球远得很多,但太阳的质量却比月亮的质量大得很多。因此,太阳对潮汐现象的影响也是颇为可观的。

当月亮和太阳联合起来吸引地球上的海水,潮汐现象便会更加厉害。当月亮全部躲藏起来时,正是阴历初一,月亮转到太阳与地球之间。从地球来看,太阳和月亮在同一方向。处于同一方向的月亮和太阳,联合起来吸引海水,这便使得海水向两面鼓得更厉害了。

当一轮明月圆如镜之时,正是阴历十五。从地球看来,月亮和太阳转到相反的方向。这时,处于地球两侧的月亮和太阳,联合起来兴潮作浪,同样使两头的海水向两面鼓得非常厉害。这就是阴历初一和十五潮汐现象特别厉害的原因,这时所产生的潮汐现象,称为“大潮”。

当月亮和太阳对潮汐的影响部分抵消时,潮汐现象当然就显得平静些。每当阴历初七八或二十二三,从地球看来,月亮和太阳的位置,大约互成90°,这时就出现月亮和太阳所引起的潮汐有一部分抵消的情况,所以这段时间的潮汐现象比较小些,被称为“小潮”。难怪只有在阴历每月的初一和十五前后几天,潮汐现象才特别壮观,所以人们总爱选择这个时期去观潮。

在观赏潮汐的壮观场面时,不要忘记感谢万有引力的功绩。当然潮汐现象给人类带来的好处远远不仅限于观赏,每当涨潮过去海水下落时,也就成了渔民们在海滩上的大忙时光,采集丰富多彩的海产品,拣起那美丽的贝壳,捉住那拼命爬行的螃蟹,抓住那些来不及跟海水一起退回大海的鱼、虾……这时的海滩呈现出的是一片繁忙的欢乐景象。

潮汐现象还给人类带来廉价的动力资源,每天海水自然涨落两次,蕴藏着巨大的能量,人们利用它发电,向大海索取电力。在海水涨落比较大的海边建上几道闸门,当海水上涨海面升高,闸门打开。海水自动向内流进,水流冲动水轮机,带动发电机便可发出电来。当潮水开始要下落时,关掉原先的闸门,打开另外的闸门,水向外流出,又可以推动水轮机,带动发电机发电。

不倒翁为何搬不倒?

在玩具世界里有一名倔强的老倔头,那就是惹人喜爱的不倒翁。

不倒翁是一个慈眉善目乐呵呵老头儿的形象。因为被扳倒后会顽强地站起来,所以又叫“扳不倒儿”。这是我国的一种古老玩具。据古书记载,唐代(618~907年)就有不倒翁,不过,当时它叫“酒胡子”,是一位喝醉的老头儿形象,而且也不是儿童玩具,是大人劝酒用的,用醉不倒的不倒翁来鼓励人家多喝酒。

劝人家过量喝酒并不是好事,后来它演变为儿童玩具,倒挺有意思,因为它可以帮助我们学习力学知识。

物理学教科书告诉人们:一个物体的重心越低或者支面越大,它就越稳定;反过来,重心越高或者支面越小,它就越不稳定。可是不倒翁的构造却十分特别。它上虚下实,重心极低,这本该使它十分稳定;而它的底部却是半圆球形的,支面小到近似于一个点,这又使它十分不稳定。就是支面小使它容易被按倒,而重心低又使它顽强地站起来。它是一种有趣的玩具,谁都喜欢玩它;而在玩耍中,又可以帮助我们形象地理解物体的重心和稳定性的道理。

不倒翁告诉我们一个非常有用的物理知识,就是物体怎样才能平衡。放在地上的凳子,摆在桌面上的台灯都处于静止状态,在物理学上就叫做平衡,同样是处于平衡状态的物体:一本书竖在桌子上,轻轻地用手一推便会倒在桌子上,而不倒翁推倒了却又能站起来。

这就是说,平衡里也有不同:一件东西立在那儿,轻轻地推一下,它晃了几晃又重新立稳,这种平衡叫稳定平衡;如果轻轻地一碰就倒,叫做不稳定平衡,不倒翁是稳定平衡,立在桌面上的书本、铅笔等是不稳定平衡。

子弹打在玻璃窗上的奇特现象

飞速的子弹打在玻璃窗上,玻璃窗上只穿一个小弹孔,而如果用一块小石子打在玻璃窗上,情况就不同了,玻璃窗就要整个被打碎,这两种不同的结果就在于力的作用时间的长短上。若使受力的物体获得一定的速度,尽管作用力挺大,物体质量又挺小,虽然可以获得很大的加速度,但是如果力的作用时间十分短暂的话,物体速度的变化绝不会大。

子弹撞击在玻璃窗上,对其相接触的那一小圆块,会被迅速撞击掉,而与这一小圆块玻璃相连接的其他部分,虽然也受到这块玻璃分离时的作用力,但这个力的作用时间太短,速度几乎为零。

这就如同自由落体运动一样,在刚放手的一瞬间,虽然受重力作用立刻产生了重力加速度,但其初速度为零。与子弹未直接接触的其余部分玻璃,因为受力的时间极短,速度来不及改变即消失了,周围玻璃仍处于静止状态,哪能破碎呢。反过来,用小石子打玻璃窗时,因为石子速度不及子弹快,穿过玻璃窗的时间也不那么短暂。

这说明作用力对时间的积累效果,会使玻璃窗产生一动量的变化,具有一定动量的玻璃窗就会使玻璃震碎。